《REVIEWS IN ENVIRONMENTAL SCIENCE AND BIO-TECHNOLOGY》：Enhancing bioaugmentation in wastewater treatment: the emerging role of aggregating bacteria as mediators in cell immobilization—review
1 引言
废水处理是全球环境保护的重要组成部分。然而，随着城市化、工业化和人口增长，废水的复杂性和总量不断增加，对传统处理技术的效率提出了挑战。生物废水处理工艺因其环境友好和成本效益而日益受到青睐。这些工艺原理上依赖于微生物的代谢活动来降解污染物，其整体有效性在很大程度上取决于特定功能性微生物种群的存在和活性。然而，生物性能常常受到某些功能性微生物（如硝化菌和聚磷菌）生长缓慢的限制，这些微生物在污泥停留时间（SRT）较短的系统中难以持续存在。这些限制凸显了需要有针对性的策略来加强生长缓慢的功能性微生物的存在和活性，从而提高生物处理系统的整体稳定性和性能。
为了克服这些限制，生物强化已成为一种有针对性的生物策略。它涉及有意引入具有特定降解能力的特殊微生物菌株或群落，以加强本土微生物群落并提高处理性能。在实践中，具有特定功能能力的特殊微生物菌株或群落被有意引入现有的处理系统。功能性细菌在生态系统、土壤、水和工业过程中执行特定的有益角色。功能性细菌不是按其形状或分类学来定义，而是按功能分类，例如营养循环、与宿主的共生、发酵、生物修复和基因工程。通过提高功能性细菌的丰度和活性，生物强化提供了一种实用且有针对性的解决方案，可在自然微生物生长本身不足的情况下提高生物处理效率，特别是在SRT短的系统中。
虽然生物强化在工艺稳定性、营养物去除和系统恢复力方面已显示出益处，但其更广泛的应用常常受到诸如引入菌株的流失、定植有限以及与本土微生物竞争等挑战的阻碍。这在很大程度上与许多强化菌株缺乏自然聚集或生物膜形成能力有关，使它们易受操作压力和系统扰动的影响。尽管传统的固定化技术已被应用于改善微生物保留，但这些方法可能成本高昂，并可能降低微生物活性。好氧颗粒是高度结构化的微生物聚集体，以其强大的沉降特性、致密的结构和固有的稳定性而闻名，最近已成为天然聚集和生物膜形成细菌的宝贵来源。这些源自颗粒的微生物表现出支持生物固定化的功能特性，增强了引入菌株的持久性和性能。作为桥接微生物，它们促进了与功能性细菌的共聚集和物理整合，促进了生物膜的形成并支持了群落的稳定性。尽管一些案例研究强调了这些细菌在改善生物强化结果方面的潜力，但对其功能特性、生态相互作用和工程应用的全面探索仍然有限。本综述系统地考察了利用聚集细菌（特别是那些源自好氧颗粒的细菌）进行生物强化策略的最新进展，阐明了其作用机制以及在支持微生物持久性和协同作用中的作用。通过关注它们在工程系统中促进微生物固定化和整合的能力，本工作突出了提高生物强化性能的一个有前景的方向。该综述指出了关键的研究空白，并为设计更具弹性和有效的废水处理微生物策略提供了一个框架。
2 生物强化概述
生物强化，也称为接种，是一种原位生物修复污染物的方法，通过引入具有特定生物降解能力的补充微生物来增强微生物群落的多样性并提高污染环境中的降解性能。许多研究侧重于评估废水处理的生物强化策略，旨在提高营养物去除的有效性并改善整体系统性能。总的来说，这些研究表明，生物强化已成为加强生物处理工艺的重要工具，强调了需要了解不同的实施策略如何影响其整体成功。
传统的生物强化策略主要涉及添加游离的微生物细胞，可以是预先适应的纯菌株、微生物群落、基因工程菌或携带特定生物降解基因的载体，进入生物处理系统以增强污染物降解。虽然分离的纯菌株已广泛应用于废水处理的生物强化，但富集的混合微生物培养物越来越受青睐，因为混合群落通常表现出更大的代谢多样性、生态稳定性和在波动环境条件下的恢复力，从而提高了生物强化策略的整体有效性和稳健性。这表明传统生物强化的成功不仅取决于所使用的接种物类型，还取决于其在处理系统内存活、稳定和活性的条件。
2.1 影响生物强化稳定性和效率的因素
任何生物强化应用的成功根本上取决于引入的细菌在处理环境中持续存在并保持活性的能力，这一过程受多个相互关联的因素控制。
2.1.1 生物强化菌株的选择及其特性
实现成功生物强化的最关键步骤是选择具有理想功能特性的适当微生物。这些微生物应表现出对特定污染物的高降解潜力，并具备关键的生理和生态特征，如生物膜形成能力、聚集能力和胞外聚合物（EPS）的产生。增强其有效性的其他特性包括生物絮凝活性、运动性以及生物表面活性剂和自诱导物的合成。为了确保在处理系统中的持久性，所选菌株必须能够在接种后存活，整合到现有的污泥絮体中，或有助于微生物颗粒的形成。不当选择用于工业废水处理的微生物菌株可能导致不令人满意或不一致的结果。为了增强兼容性和性能，研究集中于从目标环境的原生微生物群落中分离接种物。这种方法提供了一个显著优势，因为所选菌株已经适应了系统的特定物理化学条件和污染物特征，增加了它们接种后存活和活性的机会。
这些选定的菌株可以是纯培养物或微生物群落。在许多生物强化方法中，使用群落中的多个菌株有利于改善污染物处理。例如，由四种分离菌组成的细菌群落HM-4，在20 mg/L浓度下成功地对所有六种偶氮染料脱色，并且脱色速率明显快于任何单一分离菌。这表明，设计良好的微生物群落可以实现比单独使用单一菌株更快、更全面的污染物降解。
基因改造生物体可用于过表达污染物降解基因或提高存活率。在极端废水条件下，分离具有耐受多种胁迫并执行目标功能能力的天然菌株既耗时又不一致。通常，在工业废水中，有机化合物、金属和其他污染物的复杂混合物共存。研究表明，共污染物通常表现出协同毒性效应，导致比单独污染物更大的总体毒性。具有增强的多污染物抗性以及多功能代谢途径的微生物群落或工程菌株可能在这些复杂条件下提供更稳健和有效的生物强化解决方案。然而，工程微生物在环境生物技术中的部署受到因地区而异的生物安全和监管框架的严格管辖。英国、欧盟和美国的框架由于对意外生态影响的担忧而实施了严格的评估。公众对工程菌株的接受度常常受到信息差距和对生物安全问题认识有限的限制，这突出了在环境系统中部署基因工程微生物时需要透明沟通和教育。此外，将基因工程细菌广泛释放到自然环境中的做法仍然存在争议。因此，尽管工程菌株为复杂的废水环境提供了有前景的解决方案，但在其广泛应用得以实现之前，克服这些生物安全和监管挑战仍然是必要的。
2.1.2 生物强化投加量
将微生物投加到处理系统的技术会影响生物强化的效率。投加量和投加间隔，无论是通过单次还是重复投加，都是细菌投加策略中的两个关键因素。选择适当的投加方法可以显著增强引入菌株对抗本土微生物的竞争力，并改善其适应处理环境的能力。重复投加或频繁投加的方法在生物强化中很有用，可以避免由于新引入菌株暂时不稳定而造成的流失。然而，该过程可能劳动强度大且成本高昂，具体取决于微生物菌株和所采用的生物强化技术。
在考虑生物强化投加特性时，初始接种量或投加量是一个关键因素，它必须足够大以克服初始的捕食和竞争压力，但又不能过量以致破坏反应器系统中现有的微生物群落或生态平衡。跨环境基质的证据支持这一点；观察到在10?–10? CFU/mL范围内的接种量浓度持续增强了柴油和生物柴油的降解，表明通常需要达到阈值丰度才能建立功能活性。然而，投加量优化不仅受生物学要求的影响，还受操作限制的影响。因此，虽然较高的剂量可能会提高短期性能，但可持续的应用需要平衡生态有效性与操作可行性的投加策略。
然而，一些研究表明，增强的微生物丰度并不总是等同于提高的降解效率，这强调了需要整合接种量、时间和频率的战略性投加。当以极低密度引入非无菌湖水时，接种物在原生动物捕食和营养限制下崩溃，阻止了对硝基苯酚的矿化。然而，将剂量增加到≥10? cells/mL使得存活和成功降解成为可能，并且即使较低的起始密度，原生动物抑制或营养补充等干预措施也恢复了活性。总的来说，这些发现表明，足够的初始接种量对于克服生物强化中早期的生态损失至关重要，特别是在像废水这样的复杂系统中，竞争和捕食可以迅速减少引入的种群。
2.1.3 微生物相互作用和群落动态
引入的微生物菌株、本土微生物和污染物之间的相互作用通过影响微生物群落的结构、功能和稳定性，在生物强化的成功中起着关键作用。这些相互作用可能导致协同合作或竞争排斥，最终影响生物强化菌株在处理系统内的持久性和活性。
促进群落适应的一个重要机制是水平基因转移，其中引入的细菌可以与本土微生物共享分解代谢基因，这些基因通常由质粒携带。这种基因交换通过将污染物降解能力传播到接种菌株之外，增强了群落的整体降解能力。EPS分泌不仅促进微生物聚集和稳定的生物膜发展，还支持遗传交换和代谢合作。
生物强化常常引起微生物群落结构的变化。虽然整体多样性可能暂时下降，但引入菌株或能够降解目标污染物的本土细菌的丰度通常会增加。例如，报告称，使用恶臭假单胞菌和红球菌Ruber的合成群落进行生物强化以降解苯、甲苯和苯乙烯，在污泥和污水中均实现了90%以上的去除效率，同时不动杆菌成为生物强化后污泥样本中最优势的属，占总序列的27.8%。与未强化系统相比，不动杆菌和假黄单胞菌丰度的增加表明，引入的菌株不仅持续存在，而且改变了本土群落的组成，并促进了其他功能性降解菌的生长，以增强微生物群落的整体分解代谢潜力。这种优势可能源于选择性优势，例如对碳氢化合物的高降解效率、有效的生物膜形成和水平基因转移。例如，假单胞菌和红球菌已知能分泌EPS，这增强了生物膜的发展和细胞表面疏水性。此类生物膜促进了微生物聚集，并实现了群落内分解代谢质粒的侧向基因转移，潜在地增强了接种和本土菌株的代谢能力。
类似地，发现引入自聚集的假单胞菌XL-2菌株富集了有益属，如黄杆菌和副球菌，它们有助于EPS产生和反硝化，从而改善了颗粒化和脱氮效果。这显示了生物强化在减轻污染物影响和帮助在生态系统内保存和维护各种细菌物种方面的潜力。因此，使用自聚集细菌为同时改善污染物去除和维持平衡且有恢复力的微生物群落提供了一种有前景的方法。
环境因素，如营养物可用性、温度、pH、盐度和溶解氧，也影响微生物聚集、群落组成和生物强化结果。微生物聚集体和生物膜内的微环境条件，如氧梯度、氧化还原电位和底物扩散，影响微生物活性和相互作用。微电极研究揭示了氧气渗透到活性污泥絮体中的情况随颗粒大小和外部溶解氧浓度而变化，强调了对于生物强化系统监测和优化这些参数的重要性。
分子工具的最新进展，包括荧光标记、组学和高通量测序，改善了对生物强化中微生物相互作用和群落动态的理解。这些方法能够对微生物种群、基因转移事件和功能转变进行详细分析，提供可以指导接种物选择和管理以提高处理性能的见解。彻底了解微生物相互作用和群落动态对于优化生物强化策略和实现高效污染物去除至关重要。
2.1.4 反应器类型和废水特性
生物强化的成功取决于微生物接种物与操作环境之间的兼容性，特别是生物反应器的类型和进水废水的特性。反应器配置如序批式反应器、连续流搅拌槽反应器、膜生物反应器和基于生物膜的反应器在流体力学、固体停留时间、氧传递和剪切力方面有所不同，这些都直接影响微生物附着、存活和功能表达。例如，SBR和好氧颗粒污泥系统由于其饥饱周期和可选择沉降性生物质的选择压力，促进了微生物聚集，有利于聚集细菌的保留。同时，移动床生物膜反应器和MBR提供了大的表面积和稳定的水力环境，支持接种菌株的固定化和持久性。稳定的微生物群落更可能在固定化生物质反应器中形成。一项研究比较了SBR和CSTR在富集完全氨氧化细菌用于脱氮方面的功效。他们的结果表明，SBR具有波动但通常较高的原位铵浓度，有利于氨氧化细菌的增殖。相比之下，具有高度寡营养生活方式的comammox细菌在CSTR中相对较低的铵水平下生长得更好。这项例证了反应器配置和操作条件如何影响微生物群落动态，这是生物强化成功的关键因素。
进水废水的组成，如其碳氮比、营养负荷、抑制性物质的存在和可生物降解有机物，决定了生物强化菌株的建立和活性。例如，由于底物复杂性和毒性的变化，生物强化结果在市政废水和工业废水之间存在显著差异。
总之，虽然依赖游离细胞的传统生物强化方法可以暂时增强特定污染物的降解，但其长期有效性常常受到限制。游离细胞易受操作挑战的影响，例如在反应器内保留差、在低污泥停留时间下流失、与已建立的本土微生物种群竞争以及原生动物捕食。这些因素共同损害了大规模或连续系统中生物强化的稳定性和可持续性。因此，需要更稳健的策略来确保持续的微生物保留和功能稳定性，为探索细胞固定化技术作为克服游离细胞生物强化固有局限性的有前景的替代方案奠定了基础。
3 迈向稳健的生物强化
3.1 细胞固定化方法
确保引入菌株的持久性在生物强化中至关重要，细胞固定化方法已被证明是实现这一目标的有效途径。细胞固定化是指将活微生物细胞限制在特定区域内以限制其运动，同时仍保持其生物活性以供连续和重复使用。在许多情况下，鼓励微生物附着在表面或天然载体上，然后将其引入污染介质中。这些微生物通常形成生物膜，即在暴露于水的表面上发展的结构化微生物群落。生物膜由生活在自产基质中的活微生物组成，该基质由有机聚合物组成，例如多糖或藻酸盐，以及吸附的营养物、矿物质和其他物质。因此，该基质在维持固定化细胞在生物强化过程中的长期存活和性能方面起着至关重要的作用。
细胞固定化主要有四种方法：物理吸附、包埋、微胶囊化和交联。物理吸附是最经济的，而交联和共价键合是最昂贵的。在物理吸附中，细胞通过弱力如氢键、偶极相互作用、范德华力或疏水相互作用附着到载体上。相互作用的类型取决于载体和细胞的特性。
包埋技术涉及将微生物细胞捕获在纤维或凝胶状材料内，例如藻酸盐、琼脂、胶原蛋白或合成树脂。这在细胞周围创建了一个保护屏障，帮助它们在储存和处理过程中存活并保持活性。它还防止细胞泄漏，使其适用于长期废水处理，特别是在恶劣或有毒环境中。微胶囊化是一种不可逆的固定化方法，类似于包埋，其中细胞或酶被封闭在具有半透膜的胶囊内。该膜允许营养物和底物通过，同时将生物催化剂安全地保留在内。膜的孔径大小影响物质进出效率。交联方法涉及使用化学结合剂在细胞和固体表面之间形成强共价键。表面必须首先经过化学处理以允许键合。虽然这种方法对于附着酶效果很好，但由于所使用的化学品可能有毒并可能损坏细胞，因此很少用于整个细胞。因此，化学键合对于全细胞固定化的适用性有限。
化学和物理固定化技术提供了一系列益处和局限性，每种都影响其在生物强化中的长期有效性。这些技术提供了几个优点，包括增强的生物质保留、免受环境胁迫的保护以及改善的操作稳定性。此外，它们允许更高的微生物浓度、生物质的再利用以及更好的对有毒物质的抗性。重要的是，它们有助于减轻生物强化失败的最常见原因之一，即由于流失或原生动物捕食导致的引入微生物的损失。研究已经报告了由于在缺乏固定化的情况下接种物不稳定性而导致的此类失败。虽然定期投加微生物培养物通常用于维持性能，但这显著增加了操作成本。固定化细胞技术因此通过增强微生物持久性和对波动环境条件的耐受性提供了一种实用的解决方案。它在处理含有金属、酚类化合物和其他难降解有机污染物的复杂废水方面显示出巨大潜力。因此，细胞固定化不仅有利于提高微生物持久性，而且对于实现具有挑战性和复杂废水的有效处理也至关重要。
虽然化学和物理固定化方法，特别是那些依赖合成载体或化学交联剂的方法，已被证明在增强微生物持久性方面有效，但它们具有显著的局限性。扩散限制、微生物活性的逐渐丧失、化学交联剂的潜在毒性、载体降解和操作复杂性可能降低其长期效率并增加成本。此外，这些方法通常未能充分利用微生物群落的固有能力，例如自聚集和生物膜形成。这些限制突出了对更可持续和生物相容策略的需求，这些策略可以自然保留微生物，增强它们与本土污泥群落的相互作用，并提高整体生物强化稳定性。
这些限制推动了对更具生物相容性、无载体固定化系统日益增长的兴趣，这些系统避免了与人工基质相关的挑战。此类方法旨在通过自然机制而非依赖外部载体来实现微生物保留和稳定性。
3.2 增强生物强化性能的微生物聚集策略
在此背景下，聚集细菌已成为有前景的天然固定剂，能够形成自聚集物或絮体，作为引入的污染物降解菌株的支架。这些细菌不仅增强了微生物保留，还支持生物膜发展和群落稳定性，有效地弥合了传统固定化技术与生物驱动的废水处理策略之间的差距。
虽然许多污染物降解细菌菌株在载体表面形成生物膜的能力有限，但某些细菌可以作为桥接生物，促进其他微生物整合到生物膜中。一些菌株具有强大的生物膜形成和共聚集能力，促进了稳定、多物种生物膜的发展，这些生物膜保留并支持多样的微生物群落。由于接种微生物的定植和持久性对于成功的生物强化至关重要，利用自然共聚集为稳定功能性细菌在废水处理系统中提供了一种简单、经济有效的合成固定化方法替代方案。
微生物聚集存在于一个连续体中，从絮体到生物膜和颗粒。生物膜和颗粒的形成都始于初始的生物聚集，并持续增长直到达到阈值大小。一旦超过这个点，这些结构可能会分散，释放出絮状生物质并启动新的聚集循环。这些微生物聚集体是高度组织化和动态的，能够适应环境条件。通过设计这些结构，可以创建支持特定功能的特定微生物生态位，为生物强化和废水处理提供灵活有效的策略。总的来说，这突出了微生物聚集是一个动态过程，可以战略性地利用来创建更稳定和高效的系统，以提高工程处理工艺的稳定性和功能性。
随着人们对利用这些天然聚集细菌的兴趣增长，理解驱动它们作为天然固定剂和微生物桥接物作用的基本机制变得至关重要。这些机制不仅支配细菌如何自聚集，还支配它们如何将其他菌株整合到稳定的生物膜中；直接影响生物强化的成功。
3.2.1 生物强化废水系统中微生物聚集的功能驱动因素
理解微生物聚集的功能驱动因素对于阐明增强废水系统中生物强化成功的机制至关重要。许多好氧和厌氧微生物表现出聚集以响应环境胁迫，包括有限的氧气或营养可用性、pH变化、盐度或温度变化以及二价阳离子如钙和镁的存在。在废水处理系统中，通常含有复杂营养物、有毒化学中间体和高等酶需求，微生物聚集促进了群落成员之间的分工。这使得不同的种群能够执行专门化但互补的代谢功能，从而提高了处理过程的整体功能效率和恢复力。然而，解释虽然微生物群落中的聚集通常归因于代谢相互依赖，但这并不是废水中聚集的唯一驱动因素。在诸如废水和活性污泥生物反应器等环境中，某些微生物物种主要充当桥接生物，促进非聚集细菌的共聚集，而不直接贡献于代谢活性。类似地，报告说微生物如鞘氨醇单胞菌、乙酸钙不动杆菌和藤黄微球菌不直接参与污染物降解。实际上，它们的主要功能是桥接，即共聚集以支持非聚集细菌在生物膜内的共存。总的来说，这些发现表明，废水系统中的微生物聚集可以由桥接生物结构驱动，独立于直接的代谢贡献。
其他代表性属包括梭杆菌、芽单胞菌和甲基杆菌。这些桥接物种通常表现出有利于粘附的细胞表面特性，例如高疏水性和略负的表面电荷，这可能促进与带正电的微生物伙伴的静电相互作用。总的来说，这些表面特性使桥接物种能够在微生物共聚集中发挥关键的结构作用。
3.2.2 聚集细菌介导的固定化的机制见解
聚集细菌介导的固定化的一个核心机制是它们作为桥接生物的能力，通过共聚集将污染物降解细菌物理整合到发展中的或已建立的生物膜中。跨废水处理研究，聚集细菌一致表现出广谱共聚集能力，使得能够与系统发育和功能上多样化的伙伴相互作用，包括具有有限固有能力形成生物膜的菌株。这种机制不是仅仅依赖单个降解物的附着能力，而是将功能菌株嵌入共享的胞外基质中，从而增强生物质保留、空间稳定性以及对营养物和电子供体的持续获取。
在群落水平上，微生物聚集伴随着协调的转录和调控反应，这些反应将聚集的群落与分散的种群区分开来。比较基因表达分析已证明，相对于分散细胞，聚集细胞表现出信号转导途径和与胞外基质合成相关基因的表达升高。跨系统范围，从活性污泥絮体到工程生物膜，这些转录转变一致地将聚集群落与浮游种群区分开来，表明了对空间组织的一种保守的调控反应。
此外，这些转录转变促进了EPS、表面相关蛋白和粘附因子的产生，这些共同加强了细胞间内聚力并增强了微生物聚集体的机械稳定性。结果，聚集细菌充当天然固定剂，通过EPS产生、细胞表面粘附素和疏水相互作用来稳定功能性降解物，而不是通过人工载体材料。
因此，这些转录转变不是孤立的反应，而是通常通过群体感应网络进行调控，该网络同步混合群落中的集体行为。群体感应已成为在天然固定化群落内协调聚集和稳定的关键调控机制。在废水处理系统中，多种QS信号分子通常共存，形成互连的调控网络，同步集体微生物行为。这些包括革兰氏阴性菌中的N-酰基高丝氨酸内酯、革兰氏阳性类群中基于肽的QS系统、扩散信号因子和种间自诱导剂-2。尽管在信号化学和分类分布上存在差异，但这些QS系统汇聚于一个共同的功能结果：聚集、EPS产生和种间内聚的协调强化。QS缺陷菌株一致表现出受损的聚集和减少的生物膜形成能力，强调了QS介导的协调在稳定固定化微生物群落中的核心作用。总的来说，群体感应作为一个整合的调控框架，确保复杂微生物群落中凝聚和稳定的聚集。
重要的是，QS与细胞内第二信使，特别是环二鸟苷单磷酸协同作用，调控从可逆附着的过渡。升高的细胞内c-di-GMP水平抑制运动性，同时增强EPS分泌和细胞表面粘附，从而促进致密、机械稳定的聚集体的形成。来自废水生物膜的证据表明，QS信号和c-di-GMP调控形成了一个控制聚集、EPS合成和长期生物质保留的保守调控轴。通过这种协调的调控，聚集细菌促进了功能性降解物有效整合到能够承受水力和生态应力的稳定微生物结构中。
在分子尺度上，聚集介导的固定化产生于胞外基质产生和高度特异性的表面相互作用的组合。虽然多糖丰富的EPS和蛋白粘附素传统上被视为微生物聚集的主要驱动因素，但越来越多的证据表明结构组分更加多样化。蛋白粘附素，通常位于菌毛上或沿细胞包膜分布，介导相邻细胞之间高度特异性的粘附素-受体相互作用，经常涉及互补的糖部分。这些相互作用使得能够进行选择性 yet 稳定的种间聚集，支持遗传上不同的细菌在共享生物膜结构内的持久性。然而，尽管它们的重要性被认可，环境聚集体中粘附素介导相互作用的详细分子特征仍然有限，突出了理解工程系统中聚集驱动固定化的一个关键知识空白。解决这一空白对于合理设计和优化基于聚集的固定化策略至关重要。
除了传统的EPS和粘附素介导的固定化机制之外，最近的研究已经确定了有助于固定化的非常规基质组分。S层蛋白介导的结构化，如在厌氧氨氧化生物膜中所报告的那样，说明了这些蛋白质如何作为分布在细胞表面和胞外基质中的结构支架，以促进复杂微生物网络内的种间固定化。这种双重定位展示了特定的结构蛋白如何同时充当细胞表面粘附素和基质嵌入支架。总的来说，这些发现挑战了以EPS为中心的聚集模型，并表明固定化群落依赖于多个、部分冗余的结构机制，其相对重要性可能根据群落组成和环境条件而转变。
作为上述调控和结构机制的功能后果，聚集相关特性使得细胞间紧密粘附以及在表面或悬浮液中形成有内聚力的微生物簇成为可能。因此，共聚集、自聚集和遗传不同细菌之间的种间粘附代表了聚集群落的关键涌现特性，并且对于稳定的、多物种生物膜的发展至关重要。通过将污染物降解菌株嵌入共享的胞外基质中，这些相互作用增强了生物质保留，促进了代谢合作，并提高了污染物去除效率和整体系统稳健性。
共聚集动态的比较研究表明，聚集行为既是物种特异性的，又是时间调控的，反映了细胞表面化学、调控反应和生长动力学的差异。时间依赖性聚集模式表明，最小的初始自聚集或共聚集可以随时间演变为明显的聚集，甲基杆菌在72小时后表现出最高的聚集潜力。此外，双物种群落的形成一致地导致比相应纯培养更稳健的生物膜，说明了种间协同相互作用而非单独菌株的聚集能力如何支配工程系统中的生物膜稳定性和持久性。
这些一般原则在污染物特定的生物强化背景中得到进一步说明。在对硝基苯酚降解系统中，证明共聚集支持菌株与PNP降解菌甲基杆菌sp. C1建立了高度特异性的分子相互作用。这些相互作用，由涉及细胞表面粘附素和脂磷壁酸的蛋白-糖识别介导，促进了快速共聚集和早期生物膜成核。一旦共聚集，产生的群落促进了早期生物膜发展，增强了功能性降解物的保留，并稳定了EPS丰富的基质，这些基质通过吸附有毒化合物和缓冲环境应力提供了结构支持和化学保护。
关键的是，共聚集的功能益处超出了物理固定化。在序批式反应器中，PNP去除效率从含有单独甲基杆菌sp. C1的纯培养系统中的约80%增加到引入共聚集芽孢杆菌菌株后的超过99%，表明聚集驱动的固定化显著增强了生物降解性能。高通量测序进一步揭示，这些共聚集生物膜表现出增加的群落多样性和功能冗余，促进了代谢合作和长期稳定性。总的来说，这些发现表明，聚集细菌在生物强化群落中既充当结构锚又充当功能锚，通过形成生物驱动的固定化基质来替代人工载体，这些基质增强了降解物的持久性、恢复力和处理效率。
通过这种自然介导的固定化过程，聚集细菌克服了游离细胞生物强化中常观察到的流失问题，并减少了对合成载体的依赖。结果是一个更具恢复力和自组织能力的微生物群落，能够承受环境和操作条件的波动，同时保持高污染物去除效率。
这些发现加强了利用共聚集促进生物强化中稳健、多物种生物膜的潜力。如表1进一步总结的其他关键研究所示，通过使用聚集细菌增强废水处理系统中的污染物去除，提供了生物强化策略的比较概述，这些策略结合了降解物、富集的生物膜和聚集细菌，以改善新兴和常规污染物的去除。在大多数情况下，功能性污染物降解细菌单独实现了中等去除效率，当与聚集细菌共培养时，去除效率显著提高。例如，铁和锰氧化菌株实现了68-78%的去除，当与聚集菌莫哈韦芽孢杆菌M1配对时，在实验室规模生物滤池中去除效率超过99%。在苯酚降解系统中也观察到增强的降解动力学：降解菌Propioniferax-like PG-02在53
